储能系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及电化储能技术领域，更具体地说，特别涉及储能系统及其控制方法。


背景技术：

2.通常储能系统拓扑如图1所示，主要包含0个或一个或多个光伏直流变换器102，0个或一个或多个电池直流变换器103，一个逆变器104，其中光伏直流变换器102前端输入为光伏电池106，电池直流变换器103前端输入为电池107，光伏直流变换器102和电池直流变换器103的输出一起接到逆变器104的输入端，逆变器104的输出端接到电网105和负载108。当光伏直流变换器102为0个时，系统不接入光伏电池106，当电池直流变换器103为0个时，电池107直接接到逆变器104的输入端。当电网电压正常时，系统并网运行时，当电网电压异常时，系统切换至离网运行。系统工作时，电池直流变换器103控制输出端母线电压到恒定值，逆变器104根据调度系统功率给定进行功率控制，光伏直流变换器102根据光伏电池106最大功率点进行功率控制。根据功率平衡，有光伏直流变换器总输出功率110+电池直流变换器总输出功率111=逆变器输出功率112。
3.现有储能系统控制方法中，由于逆变器需要响应调度系统功率指令，让电池直流变换器来稳定母线电压，因此没有专门的控制环节对电池电压和电池功率进行直接控制，当检测当电池功率超过一定值时，通过功率平衡公式，光伏功率减去电池功率获取到逆变器的输出功率给定进行控制；检测当电池电压超过一定值时，线性地衰减逆变器功率指令值，同时通过功率平衡公式，对光伏直流变换器的输出功率给定进行控制。该方法对电池电压和电池充放电功率的控制具有一定的滞后性，且当逆变器和光伏直流变换器的功率响应和功率控制精度不足时，都会影响电池的安全性能。
4.基于以上控制方法上的不足，确有必要开发储能系统及其控制方法，从逆变器和光伏直流变换器控制环路入手，通过加入额外的控制约束环路，自动调整逆变器和光伏直流变换器的功率控制，解决了储能系统各功率模块间的功率分配以及安全约束问题，通过以控制约束环路代替系统功率平衡计算，提高了系统动态响应速度并降低了系统控制逻辑的复杂性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供储能系统及其控制方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：储能系统，包括逆变器并网控制环路和光伏直流变换器控制环路，所述逆变器并网控制环路上设有第一电池电压上限限幅环路和电池电压下限限幅环路，所述光伏直流变换器控制环路上设有第二电池电压上限限幅环路和母线电压上限限幅环路；通过对电池电压上下限检测以及母线电压上限检测，根据储能系统的运行模式判断及检测结果，自动投切第一电池电压上限限幅环路、电池电压下限限幅环路、第二电池电压上限限幅环路和母线电压上限限幅环路，并根据环路结果调整逆变器及光伏直流变换器输出功率。
7.本发明还提供根据上述的储能系统的控制方法，包括以下步骤，步骤s301，判断储能系统的运行模式；步骤s302，若储能系统的运行模式为并网运行时则执行步骤s303；步骤s303，储能系统判断到电池电压是否到上限限幅，若是则执行步骤s304，否则执行步骤s309；步骤s304，触发第一电池电压上限限幅环路自动生效；步骤s305，第一电池电压上限限幅环路通过加大逆变器放电功率或减小逆变器充电功率以将电池电压控制在上限限幅之内；步骤s306，储能系统判断到逆变器触发功率限幅值上限；步骤s307，触发第二电池电压上限限幅环路自动生效；步骤s308，第二电池电压上限限幅环路通过减小光伏直流变换器输出功率以将电池电压控制在上限限幅之内；步骤s309，储能系统判断到电池电压达到下限限幅；步骤s310，触发电池电压下限限幅环路生效；步骤s311，电池电压下限限幅环路通过减小逆变器放电功率或加大逆变器充电功率以将电池电压控制在下限限幅之上；步骤s312，若储能系统的运行模式为离网运行时则执行步骤s313；步骤s313，储能系统判断到电池电压是否达到上限限幅，若是则执行步骤s314，否则执行步骤s316；步骤s314，触发第二电池电压上限限幅环路自动生效；步骤s315，第二电池电压上限限幅环路通过减小光伏直流变换器输出功率以将电池电压控制在上限限幅之内；步骤s316，储能系统判断到母线电压超过控制值；步骤s317，触发母线电压上限限幅环路自动生效；步骤s318，母线电压上限限幅环路通过减小光伏直流变换器输出功率以将母线电压控制在上限限幅之内。
8.进一步地，所述第一电池电压上限限幅环路的工作过程为：电池电压上限限幅ubatuplimit与对应电池电压反馈值ubatfb作差后送入pi控制器，pi控制器输出后经过限幅环路并取反后作为逆变器输出功率的调整量
△
pinvref2。
9.进一步地，所述电池电压下限限幅环路的工作过程为：电池电压下限限幅ubatdplimit与对应电池电压反馈值ubatfb作差后送入pi控制器，pi控制器输出后经过限幅环路并取反后作为逆变器输出功率的调整量
△
pinv_ref1。
10.进一步地，所述步骤s306具体为：当逆变器检测到逆变器总功率给定pinvref等于功率限幅值环路上限限幅值时，则逆变器调节能力已经达到上下限此时置标志位flag，当光伏直流变换器检测到逆变器flag后，触发第二电池电压上限限幅环路自动生效。
11.进一步地，所述第二电池电压上限限幅环路的工作过程为：电池电压上限限幅ubatuplimit与对应电池电压反馈值ubatfb作差后送入pi控制器，pi控制器输出后经过限幅环路并取反后作为电压调整量
△
upvref2，通过将光伏最大功率跟踪模块mppt输出电压参考值upv0ref往开路电压调整，以自动调整光伏电池的功率，以实现对电池充电功率的调
整。
12.进一步地，所述母线电压上限限幅环路的工作过程为：光伏直流变换器设定母线电压上限限幅值ubusuplimit，光伏直流变换器获取母线电压ubus，母线电压上限限幅值ubusuplimit与母线电压ubus输入pi控制器进行运算，并对pi控制器输出结果进行限幅，并对pi控制器输出结果取反后赋值给电压调整量
△
upvref。
13.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明从逆变器和光伏直流变换器的控制环路入手，通过加入额外的控制约束环路，自动调整逆变器和光伏直流变换器的功率控制，解决了储能系统各功率模块间的功率分配以及安全约束问题，通过以控制约束环路代替系统功率平衡计算，提高了系统动态响应速度并降低了系统控制的复杂性。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是现有技术储能系统的拓扑图。
16.图2是典型的双环控制框图。
17.图3是本发明的实现流程图。
18.图4是本发明的具体实现逻辑图。
19.图5是本发明中逆变器并网控制环路图。
20.图6是本发明中光伏直流变换器控制环路图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
22.储能系统的典型的双环控制框参阅他2所示，外环给定rref(s) 201与外环反馈rfb(s)202做差后送入外环pi控制器203，pi控制器的输出经过限幅环节205后作为内环的给定，内环给定与内环反馈ifb(s)205做差后送入内环pi控制器206，内环pi控制器的输出加上前馈值forward(s)207后作为功率器件占空比pwm输出208。其中，pi控制器（203,206）的传递函数为f(s)=(kp*s+ki)/s。
23.电池直流变换器控制环路以母线电压外环电池电流内环双环进行控制，其控制目标是将母线电压给定ubusref控制在恒定值，因此将ubusref做为电压环的输入，电压环反馈为母线电压ubusfb，电压环pi控制器输出除以电池在线数目x后作为每路电池电流内环的给定ibatref，电流内环反馈为电池电流ibatfb，前馈值为母线电压给定值ubusref。其中限幅环上限为电池最大允许放电电流值，限幅环下限为电池最大允许充电电流值。
24.逆变器并网控制环路分并网运行和离网运行控制，其中并网运行控制以逆变输出功率外环逆变电流内环双环进行控制，其控制目标是准确输出逆变输出功率给定值pinv0ref，因此将pinv0ref做为功率环的输入，功率环反馈为逆变器输出功率pinvfb，电流内环反馈为逆变电流iinvfb，前馈值为电网电压vgrid。离网控制以逆变输出电压外环逆变
电流内环双环进行控制，其控制目标是准确输出逆变电压给定vinvref，因此将vinvref做为电压外环的输入，电压环反馈为逆变器输出电压vinvfb，电流内环反馈为逆变电流iinvfb，前馈值为逆变电压给定vinvref。
25.光伏直流变换器控制环路以光伏电池电压外环光伏电池电流内环双环进行控制，其控制目标是将光伏电池电压给定upvref控制在光伏电池的最大功率点mppt处，因此将upvref做为电压环的输入，电压环反馈为光伏电池电压upvfb，电流内环反馈为光伏电池电流ipvfb，前馈值为光伏电池电压给定upvref。
26.参阅图3、5和图6所示，本发明公开了储能系统，包括逆变器并网控制环路和光伏直流变换器控制环路，逆变器并网控制环路上设有第一电池电压上限限幅环路401和电池电压下限限幅环路402，光伏直流变换器控制环路上设有第二电池电压上限限幅环路501和母线电压上限限幅环路502；通过对电池电压上下限检测以及母线电压上限检测，根据储能系统的运行模式判断及检测结果，自动投切第一电池电压上限限幅环路401、电池电压下限限幅环路402、第二电池电压上限限幅环路501和母线电压上限限幅环路502，并根据环路结果调整逆变器及光伏直流变换器输出功率，从而保障电池充放电功率安全。
27.参阅图4所示，本发明还提供根据上述的储能系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤，步骤s301，判断储能系统的运行模式。
28.步骤s302，若储能系统的运行模式为并网运行时则执行步骤s303。
29.步骤s303，储能系统判断到电池电压是否到上限限幅，若是则执行步骤s304，否则执行步骤s309。
30.步骤s304，触发第一电池电压上限限幅环路401自动生效。
31.步骤s305，第一电池电压上限限幅环路401通过加大逆变器放电功率或减小逆变器充电功率以将电池电压控制在上限限幅之内。
32.步骤s306，储能系统判断到逆变器触发功率限幅值上限。
33.步骤s307，触发第二电池电压上限限幅环路501自动生效。
34.步骤s308，第二电池电压上限限幅环路501通过减小光伏直流变换器输出功率以将电池电压控制在上限限幅之内。
35.步骤s309，储能系统判断到电池电压达到下限限幅。
36.步骤s310，触发电池电压下限限幅环路402生效。
37.步骤s311，电池电压下限限幅环路402通过减小逆变器放电功率或加大逆变器充电功率以将电池电压控制在下限限幅之上。
38.步骤s312，若储能系统的运行模式为离网运行时则执行步骤s313。
39.步骤s313，储能系统判断到电池电压是否达到上限限幅，若是则执行步骤s314，否则执行步骤s316。
40.步骤s314，触发第二电池电压上限限幅环路501自动生效。
41.步骤s315，第二电池电压上限限幅环路501通过减小光伏直流变换器输出功率以将电池电压控制在上限限幅之内。
42.步骤s316，储能系统判断到母线电压超过控制值。
43.步骤s317，触发母线电压上限限幅环路502自动生效。
44.步骤s318，母线电压上限限幅环路502通过减小光伏直流变换器输出功率以将母线电压控制在上限限幅之内。
45.本发明通过在逆变器并网控制环路上加入第一电池电压上限限幅环路401和电池电压下限限幅环路402，在光伏直流变换器控制环路上加入第二电池电压上限限幅环路501，通过该环路的自动投入切出，以实现对电池电压安全的自动控制。在逆变器离网运行时，通过在光伏直流变换器控制环路上加入母线电压上限限幅环路502，通过该环路的自动投入切出，以实现对电池充放电功率安全的自动控制。
46.参阅图5所示，为逆变器并网控制环路图，可以看出第一电池电压上限限幅环路401的工作过程为：电池电压上限限幅ubatuplimit(411)与对应电池电压反馈值ubatfb(412)作差后送入pi控制器，pi控制器输出后经过限幅环路414并取反415后作为逆变器输出功率的调整量
△
pinvref2(416)。分析可知，当电池电压反馈值ubatfb小于电池电压上限限幅ubatuplimit时，说明电池处于电压安全范围，此时环路做差结果为正，经过pi控制器之后输出为正，此时限幅环将正向限幅为0，输出功率调整量
△
pinvref2为0，因此该环路不生效。当电池电压反馈值ubatfb大于电池电压上限限幅ubatuplimit时，说明电池即将发生过充，此时环路做差结果为负，经过pi控制器之后输出为负，此时限幅环负向限幅有效，经过取反处理415后输出
△
pinvref2大于0，因此加大输出功率或者减小充电功率，以防止电池发生过充。
47.所述电池电压下限限幅环路402的工作过程为：电池电压下限限幅ubatdplimit(421)与对应电池电压反馈值ubatfb(422)作差后送入pi控制器，pi控制器输出后经过限幅环路424并取反后425作为逆变器输出功率的调整量
△
pinv_ref1(426)。分析可知，当电池电压反馈值ubatfb大于电池电压下限限幅ubatdplimit时，说明电池处于电压安全范围，此时环路做差结果为负，经过pi控制器之后输出为负，此时限幅环将负向限幅为0，输出功率调整量
△
pinvref1为0，因此该环路不生效。当电池电压反馈值ubatfb小于电池电压上限限幅ubatdplimit时，说明电池即将发生过放，此时环路做差结果为正，经过pi控制器之后输出为正，此时限幅环正向限幅有效，经过取反处理425后输出
△
pinvref1小于0，因此减小输出功率或者加大充电功率，以防止电池发生过放。
48.本实施例中，所述步骤s306具体为：当逆变器检测到逆变器总功率给定pinvref等于功率限幅值环路上限限幅值时，则逆变器调节能力已经达到上下限此时置标志位flag，当光伏直流变换器检测到逆变器flag后，触发第二电池电压上限限幅环路501自动生效。
49.所述第二电池电压上限限幅环路501的工作过程与逆变器电池电压上限限幅环路(401)一致，即电池电压上限限幅ubatuplimit与对应电池电压反馈值ubatfb作差后送入pi控制器，pi控制器输出后经过限幅环路并取反后作为电压调整量
△
upvref2(511)，通过将光伏最大功率跟踪模块mppt(512)输出电压参考值upv0ref(513)往开路电压调整，以自动调整光伏电池的功率，以实现对电池充电功率的调整。
50.参阅图6所示，光伏直流变换器控制环路，光伏直流变换器工作于光伏的最大功率点，当检测到母线电压比电池直流变换器控制的母线电压目标值要高时,比如ubusref+20v，说明储能系统各功率模块间功率已失调，此时需要投入母线电压上限限幅环路调整光伏直流变换器的输出功率，以维持系统稳定。母线电压上限限幅环路设计为，光伏直流变换器设定母线电压上限限幅值ubusuplimit，比如ubusuplimit=ubusref+20v。光伏直流变换
器获取母线电压ubus，母线电压上限限幅值ubusuplimit与母线电压ubus输入pi控制器进行运算，并对pi控制器输出结果进行限幅，其中正向限幅为0，负向限幅为-700v，并对pi输出结果取反后赋值给
△
upvref，可见当光伏直流变换器检测到母线电压大于母线电压上限限幅时，说明光伏功率过大，此时pi输出结果
△
upvref大于0，即光伏直流变换器搜索电压往光伏开路电压方向调节以减小光伏直流变换器功率输出。当母线电压小于母线电压上限限幅时，说明光伏功率在正常范围内，此时pi输出结果
△
upvref小于0并被限幅环限制在0，即光伏直流变换器输出功率不受影响。
51.本发明从逆变器和光伏直流变换器的控制环路入手，通过加入额外的控制约束环路，自动调整逆变器和光伏直流变换器的功率控制，解决了储能系统各功率模块间的功率分配以及安全约束问题，通过以控制约束环路代替系统功率平衡计算，提高了系统动态响应速度并降低了系统控制的复杂性。
52.虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.储能系统，包括逆变器并网控制环路和光伏直流变换器控制环路，其特征在于，所述逆变器并网控制环路上设有第一电池电压上限限幅环路和电池电压下限限幅环路，所述光伏直流变换器控制环路上设有第二电池电压上限限幅环路和母线电压上限限幅环路；通过对电池电压上下限检测以及母线电压上限检测，根据储能系统的运行模式判断及检测结果，自动投切第一电池电压上限限幅环路、电池电压下限限幅环路、第二电池电压上限限幅环路和母线电压上限限幅环路，并根据环路结果调整逆变器及光伏直流变换器输出功率。2.根据权利要求1所述的储能系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤s301，判断储能系统的运行模式；步骤s302，若储能系统的运行模式为并网运行时则执行步骤s303；步骤s303，储能系统判断到电池电压是否到上限限幅，若是则执行步骤s304，否则执行步骤s309；步骤s304，触发第一电池电压上限限幅环路自动生效；步骤s305，第一电池电压上限限幅环路通过加大逆变器放电功率或减小逆变器充电功率以将电池电压控制在上限限幅之内；步骤s306，储能系统判断到逆变器触发功率限幅值上限；步骤s307，触发第二电池电压上限限幅环路自动生效；步骤s308，第二电池电压上限限幅环路通过减小光伏直流变换器输出功率以将电池电压控制在上限限幅之内；步骤s309，储能系统判断到电池电压达到下限限幅；步骤s310，触发电池电压下限限幅环路生效；步骤s311，电池电压下限限幅环路通过减小逆变器放电功率或加大逆变器充电功率以将电池电压控制在下限限幅之上；步骤s312，若储能系统的运行模式为离网运行时则执行步骤s313；步骤s313，储能系统判断到电池电压是否达到上限限幅，若是则执行步骤s314，否则执行步骤s316；步骤s314，触发第二电池电压上限限幅环路自动生效；步骤s315，第二电池电压上限限幅环路通过减小光伏直流变换器输出功率以将电池电压控制在上限限幅之内；步骤s316，储能系统判断到母线电压超过控制值；步骤s317，触发母线电压上限限幅环路自动生效；步骤s318，母线电压上限限幅环路通过减小光伏直流变换器输出功率以将母线电压控制在上限限幅之内。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述第一电池电压上限限幅环路的工作过程为：电池电压上限限幅ubatuplimit与对应电池电压反馈值ubatfb作差后送入pi控制器，pi控制器输出后经过限幅环路并取反后作为逆变器输出功率的调整量
△
pinvref2。4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述电池电压下限限幅环路的工作过程为：电池电压下限限幅ubatdplimit与对应电池电压反馈值ubatfb作差后送入pi控制器，pi控制器输出后经过限幅环路并取反后作为逆变器输出功率的调整量
△
pinv_ref1。5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤s306具体为：当逆变器检测
到逆变器总功率给定pinvref等于功率限幅值环路上限限幅值时，则逆变器调节能力已经达到上下限此时置标志位flag，当光伏直流变换器检测到逆变器flag后，触发第二电池电压上限限幅环路501自动生效。6.根据权利要求2或5所述的控制方法，其特征在于，所述第二电池电压上限限幅环路的工作过程为：电池电压上限限幅ubatuplimit与对应电池电压反馈值ubatfb作差后送入pi控制器，pi控制器输出后经过限幅环路并取反后作为电压调整量
△
upvref2，通过将光伏最大功率跟踪模块mppt输出电压参考值upv0ref往开路电压调整，以自动调整光伏电池的功率，以实现对电池充电功率的调整。7.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述母线电压上限限幅环路的工作过程为：光伏直流变换器设定母线电压上限限幅值ubusuplimit，光伏直流变换器获取母线电压ubus，母线电压上限限幅值ubusuplimit与母线电压ubus输入pi控制器进行运算，并对pi控制器输出结果进行限幅，并对pi控制器输出结果取反后赋值给电压调整量
△
upvref。

技术总结
本发明公开了一种储能系统及其控制方法。储能系统包括逆变器并网控制环路和光伏直流变换器控制环路，所述逆变器并网控制环路上设有第一电池电压上限限幅环路和电池电压下限限幅环路，所述光伏直流变换器控制环路上设有第二电池电压上限限幅环路和母线电压上限限幅环路；通过对电池电压上下限检测以及母线电压上限检测，根据储能系统的运行模式判断及检测结果，自动投切第一电池电压上限限幅环路、电池电压下限限幅环路、第二电池电压上限限幅环路和母线电压上限限幅环路，并根据环路结果调整逆变器及光伏直流变换器输出功率。本发明通过加入额外的控制约束环路，自动调整逆变器和光伏直流变换器的功率控制。和光伏直流变换器的功率控制。和光伏直流变换器的功率控制。


技术研发人员：冯金生 李康龙 廖美发 廖世培 舒名华 张宝
受保护的技术使用者：广州菲利斯太阳能科技有限公司
技术研发日：2022.10.30
技术公布日：2023/1/6